CN1086894C - 投影型图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种投影型图像显示装置，光源产生的光由场镜转换成平行光，并由对应于各像素单元的微透镜会聚于像素单元。该会聚光从受控反射镜阵列的反射镜反射出来，然后透过相邻于该微透镜的另一个微透镜，并在屏幕上形成图像。一彩色滤光器被装于微透镜之前，仅允许红、绿和蓝光透过。因而，可以用单一受控反射镜阵列就可形成一彩色图像，图像亮度较高，且像素亮度均匀。

Description

投影型图像显示装置
本发明涉及一种投影型图像显示装置，而且更为具体地讲，涉及一种能够提高受控反射镜阵列(下文称为“AMA”)显示于屏幕上的图像均匀性的投影型图像显示装置。
通常，用于把光能投射到一屏幕上的空间光调制器有许多种可能的应用，如光通信，图像处理，及信息显示器等。
一般地讲，空间光调制器分为直视型图像显示装置和投影型图像显示装置，这取决于在屏幕上显示光能的具体方法。阴极射线管(CRT)做为直视型图像显示装置的例子，能显示出质量非常好的图像，但是不能用于大屏幕。如果将CRT用于大屏幕，则CRT的重量和体积将大大增加，从而使CRT的生产成本提高。
液晶显示器(下文称为“LCD”)，可变形的反射镜器件(下文称为“DMD”)及受控反射镜阵列(下文称为“AMA”)可以做为投影型图像显示装置的实例。
LCD可以归类为透射式空间光调制器。LCD是一种结构简单的图像显示器。但是由于光的偏振及其他与液晶材料有关的因素，如低灵敏度响应和过热等问题，使LCD光效率很低。而且，由于有偏振片，LCD的光损耗较大。由于在每个像素处要设一个驱动LCD的薄膜晶体管，所以通光开口所占的比率只能被限制在一个预定范围内。并且目前的透射式空间光调制器的最大光效率被限制在1～2％，所以此种透射式空间光调制器需要在暗室条件下才能获得可接受的显示质量。
而DMD和AMA可归类于反射式空间光调制器，并且已解决了LCD型显示***所存在的问题。DMD具有很好的光效率。但是DMD的扭转铰接结构带来了严重的疲劳问题。而且，DMD需要一个非常复杂、昂贵的驱动电路。
作为比较，美国专利第5,175,465(1992年12月29日授予Gregory Um等人)公开了一种压电式驱动的反射镜阵列AMA。Gregory Um等人的AMA具有简单的结构和简单的工作原理。而且，该AMA具有大于10％的足够高的光效率。此外，这种AMA还提供了一个有足够大的对比度，使得在正常室内光照条件下，仍可获得较亮较清晰的大投射图像。所述AMA还不受光偏振态的影响，也不引起光的偏振。所以该AMA比LCD更为有效。所述AMA的反射特性对温度不怎么敏感。所以，这种AMA具有相比其他易受高能光源影响的器件其屏幕亮度更大的优点。
上述的AMA在其开发之初即已被用作显示装置。该AMA主要被用作由垂直双压电晶片构成的微激励器。
美国专利第5,175,465中公开了如上所述的“大型AMA”。该大型AMA有一个夹在两压电层之间的中心电极。该中心电极通过传输信号电压的导电环氧树脂连接到有源矩阵上。反射镜层被放置在该大型AMA的上部。反射镜层在最大值为30伏的电压下，有一个可达+/-0.25度的倾角。因此，反射镜层需要大型AMA的高精度设计与制造。这也使大型AMA的制造较为困难。
最近开发出了很大程度上能提高反射镜阵列质量的薄膜受控反射镜阵列。该薄膜受控反射镜阵列可以用半导体技术领域所公知的薄膜制作方法制作出来。薄膜受控反射镜阵列已经可以将足够的光在普通的室内光照条件下传输到屏幕，以显示数字化图像，且有高亮度和高对比度。薄膜受控反射镜阵列是一种反射型光调制器，它使用了微小反射镜和与之连在一起的薄膜压电驱动器。这种薄膜受控反射镜阵列已经具有能提供高对比度的更大倾角，并具有能提供高亮度的足够高的光效率。而且，薄膜受控反射镜阵列已经达到在一块面板中一个微反射镜上有超过300,00个像素的大集成度条件下仍很均匀的程度。
同时，如前所述采用AMA的薄膜受控反射镜阵列，可以被分成采用一维AMA的第一组和采用二维AMA的第二组。在一维AMA中，反射镜的表面被排列成M×1的阵列。在二维AMA中，反射镜的表面被排列成一个M×N的阵列。因此，采用一维AMA的薄膜受控反射镜阵列用扫描镜扫描出M×1个光点。采用二维AMA的薄膜受控反射镜阵列投射出M×N个光点，并显示出具有M×N个像素构成的阵列的图像，其中，M，N为不小于1的整数。
图1示意性地表示出一个传统的投影型图像显示装置，它采用了二维AMA。
参见图1，传统的投影型图像显示装置包括一个提供光能的光源10，一个聚光镜12，一个反光镜14，一个场镜16，一个受控反射镜阵列20和一个将图像投射到屏幕(未画出)上的投影镜头18，这些部件按光路布置好。
光源10，如卤灯，通过弧光放电发射出白光。光源10发出的光由聚光镜12会聚，并由反光镜14以一个特定的角度反射。
由反光镜14反射的光，准直照射到一面为平表面和一面为凸表面的场镜16上，然后以平行光的形式投射到受控反射镜阵列20上。场镜16有一个很大的反射角，能防止反光镜14反射出来的光被损失掉。场镜16最好能缩短光路。
受控反射镜阵列20由二维AMA组成。即：受控反射镜阵列20由反射镜表面20c和受控反射镜阵列面板20a组成。反射镜表面20c对透过场镜16入射的光进行反射，为的是对应于预定的像素控制光路。受控反射镜阵列面板20a有M×N个为反射镜表面20c提供特定倾角的驱动器20b。受控反射镜阵列面板20a有M×N个晶体管(未画出)，每一个晶体管都对应于一个像素。每个驱动器20b包含一个压电晶体矩阵，并被装在受控反射镜阵列面板20a上，这样每个驱动器20b与各晶体管电连接。压电晶体随其上所加电压而倾斜、振动、或弯曲一定的角度，并引起压电晶体上放置的每个反射镜表面20c倾斜一个角度。
同时，与各个像素相对应的由具有一定倾角的反射镜表面20c反射的光会聚到投影镜头18处，并被投影到显示图像用的屏幕上(未画出)。
在如上所述的传统投影型图像显示装置中，由于受控反射镜阵列中全部像素的光调制工作由一光阑完成，所以难于按单个像素来控制屏幕。因此，借助于控制各个像素单元得到均匀亮度的光学***设计受到了很大的限制。
而且，在传统的投影型图像显示装置中，难以用一个受控反射镜阵列产生彩色效果。所以需要用一组受控反射镜阵列显示彩色图像。因此，传统的投影型图像显示装置结构很复杂。
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种能够通过控制投射到屏幕上的亮度得到构成图像的一个像素单元中的均匀的像素亮度的投影型图像显示装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种投影型图像显示装置，包括：
一个产生光的光源(110)；
一个反射发自所述光源的光的光反射器(114)；
一个用作平行光转换器的场透镜(117)，将所述反射器反射的光准直而使其转换成平行光；
一个用作光调制器的受控反射镜阵列(120)，通过控制透过所述聚光器的会聚光的光路而形成图像；
一个投影镜头(118)，所述受控反射镜阵列(120)反射的光经该投影镜头(118)在屏幕上显示适合尺寸的图像；
一个均匀会聚光的聚光器(130)，位于所述场透镜(117)和所述受控反射镜阵列(120)之间，均匀地会聚所述平行光，所述的聚光器为一个微透镜阵列，该阵列包括有多个按矩阵形式排列并用于将光会聚于像素单元内的微透镜(130a)。
该投影型图像显示装置进一步包括一个投影镜头，所述光调制装置反射的光经该投影镜头在屏幕上显示适合尺寸的图像。该微透镜阵列按预定方式布置，以使穿过微透镜阵列中第一微透镜到达一像素单元中的准直光，被受控反射镜阵列反射，并透过微透镜阵列的第二微透镜形成图像。光调制器包括一组反射镜表面，一组分别支承和驱动反射镜表面的驱动器，和一个上面设有通过接收图像信号而驱动驱动器的晶体管的面板。光调制器包括一个包含对应于M×N个像素以矩阵形式布置的一组反射镜的反射镜部件，聚光器有一个含有以矩阵方式布置的(M+1)×N个微透镜的微透镜阵列，其中，M，N为不小于1的整数，而且每个反射镜反射的光透过在行方向紧邻于已让光通过的第一微透镜的第二微透镜，并由此形成图像。投影型图像显示装置进一步包括一个彩色滤光器阵列，其中彩色滤光器阵列包括在与微透镜相对应的位置处有与微透镜相对应的彩色滤光器，从而形成彩色图像。
根据本发明，微透镜阵列被安装在受控反射镜阵列的前表面。从光源发出的光被转换成平行光，然后转换而成的平行光借助于对应各像素单元的微透镜会聚于像素单元中。透过微透镜的会聚光由受控反射镜阵列的一个反射镜反射出来。反射光透过紧邻于该微透镜的另一微透镜，并在屏幕上形成图像。
因此，各像素单元中的光的调制可以很容易地完成。而且，屏幕上所显示出的图像亮度，借助于微透镜的聚光以及光的反射而被提高了。另外，彩色滤光器安装到微透镜的前面。这些彩色滤光器只允许红、蓝和绿光透过。受控反射镜阵列根据各种颜色而控制光路。由此，可以用单个受控反射镜阵列形成一个彩色图像。
本发明的上述目的及其他特征和优点，将通过参考附图对实施例的详细描述而更为清楚，其中：
图1是传统投影型图像显示装置光学***的示意图；
图2是根据本发明第一实施例的投影型图像显示装置光学***示意图；
图3是根据本发明第二实施例的投影型图像显示装置光学***示意图；
图4是表示以周期性阵列方式，在对应于图3所示投影型图像显示装置的受控反射镜阵列各像素的位置处反射红、绿和蓝光的示意图。
下文将参考附图详细地说明本发明的优选实施例。
实施例1
图2示意性地表示出本发明第一实施例的投影型图像显示装置。
参考图2，本发明的投影型图像显示装置包括光源110，聚光镜112，反光镜114，场镜117，微透镜阵列130，作为光调制器的受控反射镜阵列120和用于将图像投影到屏幕(未画出)上的投影镜头118，这些部件按光路布置。
光源110，如卤灯，通过弧光放电发射出白光。由光源110发出的光由包围卤灯的聚光镜112会聚，并被反光镜114以一个特定角度反射。
来自反光镜114的反射光被准直投射到场镜117上，该场镜包括一个凸透镜，光再以平行光的形式投射到受控反射镜阵列120上。受控反射镜阵列120有一个M×N的受控反射镜阵列。
微透镜阵列130在光路中被布置在场镜117与受控反射镜阵列120之间。微透镜阵列130包括一个含一组微透镜的透镜部分130a，(这组微透镜是(M+1)×N个微透镜130a1，130a2，…130aM+1)，还包括一组包裹着透镜部分130a并遮光的透镜边框130b。光可以透过透镜部分130a，但不能透过透镜边框130b。在微透镜阵列130中，透镜部分130a可以在像素矩阵行单元或列单元的方向以条状的形式构成，但最好形成如上所述的二维矩阵。微透镜部分130a有一组凸微透镜130a1，130a2，…130aM+1并能将透过场镜117且投射到微透镜部分130a的平行光会聚到对应于各个像素的特定位置。
同时，透镜边框130b由不透明的材料制成，比如通过将不透明的铬以黑色条纹的形式镀在透镜边框130b的表面上制成。微透镜130可以用已知的方法很容易地制造出来。如：授予Hirishi Nakanishi等人的美国专利第5,150,138公开了一种在采用LCD的投影型图像显示装置中借助微透镜阵列使光会聚在像素单元上的方法。在本发明中，可以使用由该美国专利所述方法制作出来的微透镜阵列。
而受控反射镜阵列120作为一种光调制器由二维AMA组成。受控反射镜阵列120由M×N个反射镜表面120c1，120c2，...120cM构成。M×N个反射镜表面120c1，120c2，...120cM以矩阵形成排列，以控制光路使光束反射到相应的预定像素上，该像素位于受控反射镜阵列130透镜部分130a把入射光会聚在一起之处。M×N个反射镜表面120c1，120c2，...120cM被装在反射镜阵列面板120a的前表面，并由驱动器120b1，120b2，...120bM组成的驱动器部分120b支承着，根据加在驱动器120b1，120b2，...120bM上的电子图像信号使反射镜表面倾斜一定的角度。受控反射镜阵列面板120a包括M×N个晶体管(未画出)，它们与各个像素相对应。每个驱动器120b1，120b2，...120bM都由一个压电晶体矩阵组成，它们被安装在受控反射镜阵列面板120a上，以使驱动器120b1，120b2，...120bM与M×N个晶体管的每一个晶体管相互电连接。压电晶体根据其上所加电压而倾斜、振动、或弯曲一个角度，并引起位于压电晶体上的反射镜表面120c1，120c2，...120cM也倾斜一个角度。因此，最初光束的光路，借助于由驱动器120b1，120b2，...120bM驱动的反射镜表面120c1，120c2，...120cM而变成了新的光路。改变光路后的光束透过投影镜头118，并将图像显示于屏幕上。
即，透过场镜117的平行光由微透镜阵列130中微透镜部分130a的微透镜130a1，130a2，...130aM相应于各像素进行会聚。会聚光到达受控反射镜阵列120的反射镜表面120c。当受控反射镜阵列120上加载一图像信号时，作为反射镜阵列面板120a开关元件的晶体管，将受所加的图像信号驱动开始工作。由于晶体管的工作，驱动器部分120b的驱动器120b1，120b2，...120bM被改变。因此，反射镜表面120c1，120c2，...120cM受到驱动器部分120b的驱动器120b1，120b2，...120bM的驱动。然后投射到反射镜表面120c1，120c2，...120cM的光，被由驱动器120b1，120b2，...120bM的改变而驱动的反射镜表面120c1，120c2，...120cM所反射。由于驱动器部分120b的改变而改变了光路的光束，透过在行方向(或在列方向)相邻于与该光束对应的微透镜130a1，130a2，...130aM的其他微透镜130a2，130a3，...130aM+1。随后，由场镜117会聚该光，并透过投影镜头118将图像显示屏幕上。
如果驱动器120b1，120b2，...120bM不发生变化，且反射镜表面120c1，120c2，...120cM未受驱动器120b1，120b2，...120bM的驱动，则反射的光透过对应于该反射光的微透镜130a1，130a2，...130aM，并投射到反光镜114。该投射在反光镜114上的光不显示在屏幕上。
投影镜头118由一个凹透镜和一个凸透镜构成。投影镜头118将穿过该投影镜头118的光束调整一个角度，并控制屏幕上所显示图像的尺寸。
在根据如上所述本发明第一实施例的投影型图像显示装置的光学***中，其光学投影方法将在下文作具体描述。
来自弧光放电灯光源110并经反射的光，由半圆形或半椭圆形聚光镜112会聚，并由反光镜114反射。之后，来自反光镜114的反射光受到场镜117的准直并转变成平行光。然后，置于该平行光光路中的微透镜阵列130把该平行光会聚于特定的预先设计好的各个像素所在位置处。与此同时，微透镜阵列130的微透镜部分130a中微透镜130a1，130a2，...130aM相应于各像素单元将该平行光会聚。会聚的光到达受控反射镜阵列120的反射表面部分120c。
当把用于在屏幕上形成图像的图像信号加到受控反射镜阵列120上时，作为反射镜阵列面板120a开关元件的晶体管，借助于受控反射镜阵列120上所加的图像信号开始工作。由于晶体管的工作，驱动器部分120b的驱动器120b1，120b2，...120bM发生变化。因此，反射镜表面120c1，120c2，...120cM受到驱动器部分120b的驱动器120b1，120b2，...120bM的驱动。
然后，投射到反射镜表面120c1，120c2，...120cM并被驱动器120b1，120b2，...120bM所驱动的反射镜表面120c1，120c2，...120cM反射。如果有一个图像信号加到驱动器部分120b的一个驱动器120bx上，则反射镜表面120cx要受到驱动器120bx的驱动。因此，光束光路变为一条新的光路。然后，反射的光透过在行方向与对应于该反射光的微透镜130ax相邻的微透镜130ax+1，并由场镜117会聚。之后，该光透过投影镜头118，而将一图像显示到屏幕上(未画出)。
另一方面，如果驱动器120by未改变，且对应于驱动器120by的反射镜表面120cy也未受到驱动器120by的驱动，则反射光透过微透镜130ay，而投射到反光镜114上。该投射到反光镜114上的光不在屏幕上显示图像。
此后，光路发生改变的光，透过投影镜头118在屏幕上显示出一图像。
如上所述，在本发明的优选实施例中，微阵列被安装在投影型图像显示装置光学***中受控反射镜阵列的前表面。因此，各个像素处的光调制能很容易地完成。而且，通过用微透镜对投射的光的准直与反射，屏幕上所显示的图像亮度被增加了。
在现有技术的投影型图像显示装置的光学***中，采用一个光阑来调制入射光。所以，光学***的光学设计受到大大的限制，相反地，本发明投影型图像显示装置的光学***中，微阵列被用来调整一个像素单元处的入射光。因此，其光学***的光学设计不局限于一个预定的范围。
实施例2
图3示意性地表示了本发明第二实施例投影型图像显示装置的光学***。本发明第二实施例投影型图像显示装置比本发明第一实施例投影型图像显示装置更容易产生彩色效果。对于相同的结构元件，本发明第二实施例中所用标号与本发明第一实施例中所用标号相同。
参见图3，本发明第二实施例的投影型图像显示装置，除了一个附加的结构元件之外，与本发明第一实施例投影型图像显示装置相同。该附加结构元件是微透镜阵列130前表面上的用于显示彩色图像的微彩色滤光器阵列130c。
下面将具体描述本发明第二实施例投影型图像显示装置的光学***。
光源110发出的光由包封着卤灯的聚光镜会聚，并由反光镜114以一个特定角反射。由反光镜114反射的光被场镜117所会聚，并以平行光的形式投射到微透镜阵列130上。而后，光再被投射到受控反射镜阵列120上。
同时，安装在微透镜阵列130透镜部分130a的前表面上的微彩色滤光器130c，有选择地只允许透过场镜117的光中具有特定颜色的光透过。
微彩色滤光器130c是液晶显示器件技术领域及相关领域所公知的。该微彩色滤光器阵列130c与微透镜阵列一一对应。即：微彩色滤光器130C可以按二维矩阵方式构成，就像按二维矩阵形式构成的透镜部分130a那样。每个微彩色滤光器130c在二维矩阵中被设置成有选择地让红、绿和蓝光透过。
在微彩色滤光器130c中，只有所选颜色的光通过微透镜阵列130的透镜部分130a，并准直射到对应于各像素的特定位置处。而受控反射镜阵列120，由与本发明第一实施例相同形式的二维AMA构成。微彩色滤光器130c和微透镜部分130a射出的光显现出选定的颜色，并由受控反射镜阵列120的反射镜表面120c反射，相应于预定像素控制光路。
图4示意性地表示出图3所示投影型图像显示装置的彩色滤光器阵列的颜色。如图4所示，红(R)，绿(G)和蓝(B)光，在行方向周期性地分布在对应于受控反射镜阵列120的各个像素的位置上。微彩色滤光器阵列130c具有与微透镜部分130b的微透镜130a1，130a2，...130aM+1相对应的(M+1)×N个滤光器。微彩色滤光器阵列130c其设置方式，使得已透过了会聚于一像素单元的光束的那个微透镜130ax，具有与要透过被倾斜的反射镜120cx改变了光路的光束的微透镜130ax+1相同的颜色。通过如上所述设置彩色滤光器阵列，入射光的颜色与被调制光的颜色相吻合。于是，有特定颜色的光可以在平行光被会聚之前从该平行光中选出，从而显示所需颜色的图像。因此，能够用设置在一水平行中的红、绿和蓝色滤光器形成有预定颜色的一像素。
尽管本发明第二实施例中，彩色滤光器130c位于微透镜阵列130的场镜处，但可以通过在微透镜130a1，130a2，...130aM+1的透镜表面上按图4所示阵列形成一彩色涂层而构成彩色滤光阵列130c。在此情况下，有特定颜色的光可以在平行光会聚之后从该平行光中选出，从而显示所需颜色的图像。
根据本发明第二实施例，通过在光学***中受控反射镜阵列前表面上安置微透镜阵列，可以将光调制到像素单元上。而且，由于入射光受微透镜加强反射，所以屏幕上显示的图像亮度被提高了。而现有技术为产生彩色效果需要至少三个受控反射镜阵列。在本发明的第二实施例中，通过将微彩色滤光器设置到微透镜处，可以只用一个受控反射镜阵列即可产生彩色效果。
虽然已参考本发明具体实施例对本发明做了具体展示和描述，但应理解，对本领域普通技术人员而言，形式和细节的各种变化均包括在本发明中，而没有脱离后附权利要求书所限定的本发明构思与范围。

Claims (7)

1、一种投影型图像显示装置，包括：
一个产生光的光源(110)；
一个反射发自所述光源的光的光反射器(114)；
一个用作平行光转换器的场透镜(117)，将所述反射器反射的光准直而使其转换成平行光；
一个用作光调制器的受控反射镜阵列(120)，通过控制透过所述聚光器的会聚光的光路而形成图像；
一个投影镜头(118)，所述受控反射镜阵列(120)反射的光经该投影镜头(118)在屏幕上显示适合尺寸的图像；
一个均匀会聚光的聚光器(130)，位于所述场透镜(117)和所述受控反射镜阵列(120)之间，均匀地会聚所述平行光，所述的聚光器为一个微透镜阵列，该阵列包括有多个按矩阵形式排列并用于将光会聚于像素单元内的微透镜(130a)。
2、如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其中已透过微透镜阵列(130)中第一微透镜而会聚于一像素单元的光，经所述光调制器(120)反射而透过相邻于第一微透镜的第二微透镜，从而形成图像。
3、如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其中所述聚光器的微透镜阵列具有多个排成条形的微透镜，将所述光会聚到排成矩阵形式的一行像素单元上。
4、如权利要求3所述的投影型图像显示装置，其中所述的微透镜阵列(130)按预定方式布置，以使透过所述微透镜阵列第一微透镜并对准一像素单元的光，被所述光调制装置(120)反射，透过所述微透镜阵列的第二微透镜，并形成图像。
5、如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其中所述的光调制器(120)包括多个反射镜表面(120c)，多个分别支承和驱动着所述反射镜表面(120c)的驱动器(120b)，以及一个上面设接受图像信号驱动所述驱动器的晶体管的面板(120a)。
6、如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其中所述的光调制器(120)包括一个具有以与M×N个像素对应的矩阵形式布置的多个反射镜的反射镜部分(120c)，所述聚光器的微透镜阵列有(M+1)×N个微透镜，而且每个所述反射镜反射的光透过在行方向相邻于已让该光透过的第一微透镜的第二微透镜，从而形成图像，其中，M和N为不小于1的整数。
7、如权利要求6所述的投影型图像显示装置，还包括一个彩色滤光器阵列，其中所述彩色滤光器阵列包括对应于所述微透镜(130a)的彩色滤光器(130c)，该滤光器(130c)用于在与所述微透镜(130a)对应的位置处形成彩色图像。
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